部分遮挡条件下的加速全局MPPT：一种基于物理正则化、逻辑建模与搜索空间排除的I-V搜索方法

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Accelerated Global MPPT Under Partial Shading: A Physics-Regularized I-V Search With Logistic Modeling and Search Space Exclusion

　　

摘要：

光伏（PV）系统中的局部遮阴条件会产生复杂的多峰功率-电压特性，这给传统最大功率点跟踪（MPPT）算法带来了挑战。虽然元启发式方法提供了全局搜索能力，但它们往往涉及高昂的计算成本、大量的超参数调优以及随机收敛方面的问题。本文提出了一种确定性的、无参数的全局MPPT（GMPPT）策略，称为基于逻辑模型物理正则化的I–V搜索（PRISM）。所提出的方法采用了一种新颖的逻辑估计器，通过最少数量的工作点重建光伏I–V曲线，从而消除了对辐照度或温度传感器的需求。通过将该估计器与一种物理感知的案例分类器和约束型最优优先分支定界搜索相结合，该算法能够高效地剪除次优搜索区域，确保收敛到全局最大值。实验验证表明，与当前最先进的元启发式方法相比，PRISM显著减少了跟踪时间，并消除了对随机参数初始化的需求。在局部遮阴条件下，该方法实现了0.45秒的平均跟踪时间和99.90%的稳态效率；在均匀条件下则实现了0.40秒和99.92%的效率，为动态环境条件下的实时应用提供了鲁棒的、低计算负担的解决方案。

I. 引言

在脱碳和能源安全需求的推动下，电力系统正加速部署光伏（PV）系统。光伏非线性I–V特性产生一个唯一的最大功率点（MPP），该点随辐照度和温度变化而移动，因此光伏阵列需要最大功率点跟踪（MPPT）来维持发电量[1]。在均匀辐照条件（UICs）下，阵列呈现单一的P–V峰，传统跟踪器通常能够成功工作[2]。在局部遮阴条件（PSCs）下，串联组串中不等的辐照度会触发旁路二极管，产生阶梯状I–V曲线和多峰P–V曲线，包含多个局部峰值（LPPs）和一个全局最大功率点（GMPP）。PSC通常由移动的云层或静态遮挡引起；未能捕获GMPP会导致发电量损失增加[3]。因此，需要进行全局MPP跟踪。为解决这一问题，改进的传统方法将电压或占空比搜索范围限定在特定范围内，以加速PSC条件下的收敛。代表性研究通过基于电压的限值以及在V_mpp附近的预期间距来约束搜索范围，以排除不太可能的区域并加速收敛[4]，或者从变换器关系初始化占空比，并在估计区域附近采样候选峰值，以在辐照度和负载阶跃期间维持跟踪[5]。尽管有所改进，这些方法仍然依赖于启发式方法和预定义的扫描窗口，对V_oc/V_mpp的估计仍然敏感，并且在长期参数漂移下可能需要显式的扫描或重新扫描，这可能导致局部峰值锁定，尤其是在动态变化快且峰值间距较小时。